基于STEM理念的中学物理项目式探究活动设计——以家用吸尘器的工作原理为例

基于STEM理念,以“家用吸尘器的工作原理”为教学线索展开综合实践活动教学.创设项目式的教学情境,让学生感受科学知识和技术工程的整合;引导学生制作简易的“吸尘器”,为学生构建一个自主的探究课堂,提高学生创新意识和设计方案、解决问题的能力.     

一种改进的微光夜视系统视距探测方程

视距是评估微光夜视成像系统性能的一个重要参数。随着微光夜视探测技术的发展,经典视距模型的视距仿真结果与实测结果出现了一些偏差,特别是在10-3 lx低照度条件下视距仿真结果不甚理想,这对微光夜视仪在实际应用中造成了很大的阻碍。针对这一问题,从微光成像系统成像链路的三个环节对经典视距模型进行修正：考虑大气透过率对微光夜视系统视距的影响并对经典视距模型中的大气透过率因子进行修正;基于像增强器噪声因子对视距模型进行修正;考虑人眼视觉传递特性对微光夜视系统视距的影响,在系统的传递函数模型中加入了简化的人眼视觉模型。进而推导出改进的视距模型。结合野外试验数据,验证了改进视距模型的有效性和实用性,这对于微光夜视系统的设计、评估和应用具有一定的指导性意义。     

高分二号全色卫星影像大气校正

利用大气辐射传输模型和指数衰减点扩展函数,发展了一套适用于亚米级分辨率的全色卫星影像的大气校正方法,该方法充分考虑了大气参数（气溶胶、水汽、臭氧及其他吸收气体等参数）、空间分辨率、背景像元与目标像元的空间距离等对邻近效应的影响。结果表明,本文建立的大气校正方法能够有效去除大气及周围环境对卫星入瞳信号的影响,充分解决全色卫星影像中的邻近效应问题,全面提升了卫星影像的质量（清晰度至少提高了155%,对比度至少提高了115%,边缘能量至少提高了247%,细节能量至少提高了204%,调制传递函数至少增大了169%）。     

基于气溶胶光学参数的拉曼激光雷达重叠因子校正方法

提出了一种稳定的拉曼激光雷达重叠因子计算和校正算法,适用于含有拉曼散射通道的激光雷达系统的重叠因子校正。此算法基于大气气溶胶光学参数的拉曼反演算法,通过分析消光系数和后向散射系数的反演特点,发现后向散射系数在过渡区中不受重叠因子的影响。用后向散射系数和激光雷达比的乘积对消光系数缺失信号进行初步校正,进而正演出初步校正后的拉曼散射回波信号,将实际拉曼散射回波信号与正演的拉曼散射回波信号相除即可得到重叠因子廓线。对回波信号和气溶胶光学参数进行了过渡区信号校正和盲区信号补充。分别用单组和连续的激光雷达实验观测数据进行了重叠因子的计算和校正,并与能见度仪观测的近地面数据进行了对比,呈现良好的一致性。结果表明,此算法对重叠因子计算较为稳定。     

主被动星载大气探测载荷性能对比与分析

卫星遥感能够获取全球范围的大气环境参数,主要包括主动和被动两类探测技术。星载激光雷达作为典型的主动光学遥感载荷可以用于探测全球大气气溶胶、云、大气风场和温室气体等,并可以反演垂直廓线信息。本文概述了星载激光雷达探测技术的发展历程,较为全面地总结了星载激光雷达载荷轨道及技术参数,并与被动光学遥感载荷进行了比较,探讨了主被动星载大气探测载荷各自的优劣势和未来发展趋势。通过对比分析,为未来不同应用场景的大气探测载荷选择提供参考,有助于更好地利用卫星数据反演全球大气参数。     

碳卫星超光谱探测仪地面光谱定标

碳卫星超光谱探测仪聚焦于陆地生态系统植被碳汇和森林蓄积量探测,利用670～780 nm谱段的光谱绘制植被荧光的时空分布规律,满足全球碳汇定量监测、森林植被生产力评估的需求。如何有效地标定超光谱探测仪的光谱参数,建立探测仪和被测光谱信息的对应关系是定量化反演的基础。通过光栅方程推导了超光谱探测仪的光谱数据误差模型,并结合光学系统的弥散斑分布函数,卷积得到了超光谱探测仪的仪器线形函数(ILS)分布规律。仿真结果表明,仪器线形函数是缓慢变化的,在一个小光谱范围内ILS可以近似认为是一致的;波长误差是一个系统误差,主要由光栅制造误差等引起,采用已知波长特征谱线标定的方法可以消除。通过真空罐模拟在轨环境,建立了包含可调谐激光器、波长计、旋转散射片、积分球和平行光管等装置的光谱定标系统,提供线宽小于0.001 nm均匀分布的单色标准光源,利用自动化数据处理系统测试探测仪响应曲线和单色标准光源的对应关系,标定超光谱探测仪的光谱参数。超光谱探测仪光谱采样率2.5像元左右,单波长光谱的有效数据点少,无法给出ILS函数的精确数据,以0.015 nm波长间隔单波长扫描的新方法将光谱采样密度提高2个数量级,高...     

利用样品阱实现太赫兹超材料的超微量传感

提出了一种基于太赫兹(terahertz, THz)类电磁诱导透明(electromagnetically induced transpanrency like,EIT-like)效应的样品阱超材料传感器.传感器基础单元结构由一根金属线和一对开口谐振环(split ring resonators, SRRs)组成,二者耦合产生类EIT效应,在1.067 THz处得到一个半高全宽为178 GHz的透明峰,透明峰最大透过率为89.71%.其传感单位体积灵敏度为178 GHz/(RIU·mm³),进一步分析该超材料谐振频点处的电场分布,发现两侧SRRs的开口处电场最强.我们设计构建样品阱仅在开口最强电场处,以光刻胶为待测物填入样品阱,并成功测得50 GHz频偏,验证样品阱结构可以运用于传感中.经研究分析,样品阱结构成功将样本量缩减至超微量级别,单位体积灵敏度提升至5538 GHz/(RIU·mm³),提高了31倍.该样品阱成功实现对水、人皮肤和大鼠皮肤样本的鉴别,表明了构建样品阱在THz超材料超微量检测领域具有潜在的应用价值.     

Gamma-Gamma湍流下新型脉冲位置调制性能分析

为改进脉冲位置调制方式的性能,结合差分脉冲位置调制和多脉冲位置调制的优势,提出一种新型差分脉冲位置调制方式。在给出其符号结构的基础上,分析了其传输容量、带宽需求和功率需求,推导出Gamma-Gamma湍流信道下自由空间光通信系统的平均误时隙率和误包率模型,仿真分析了湍流强度、传输距离和调制阶数对该系统性能的影响,并将其与开关键控和三种脉冲位置调制方式进行比较。理论分析与仿真结果表明,新型差分脉冲调制方式比单脉冲位置调制、差分脉冲位置调制和多脉冲位置调制具有更高的传输容量,比单脉冲位置调制和差分脉冲位置调制具有更低的带宽需求,比多脉冲位置调制和开关键控具有更高的功率利用率和更好的差错性能,而且不需要符号同步,可以简化系统实现的复杂度。     

部分相干光在大气湍流中的光强闪烁效应

以修正Rytov方法为基础,利用部分相干高斯-谢尔(GSM)光束模型并结合Andrews的唯像闪烁模型,研究部分相干光在大气湍流中的光强闪烁效应。推导出适用于不同湍流情形的部分相干光对数光强起伏方差表达式,系统分析了部分相干光在大气湍流中的光强起伏方差。结果表明:在同等的湍流环境下,部分相干光比完全相干光的光强起伏方差要小;光束相干性越差,光强起伏越小,抗湍流能力越强。在不同大气湍流情形下,光源相干性、大气折射率常数等参数对光强起伏都有不同程度的影响。     

二维相关K分布湍流信道的建模与仿真

针对强湍流的空间相关性特点,拟合了基于1-范数的相关函数,利用修正的球不变随机过程(SIRP)法得到相关K分布随机场,建立了二维相关K分布湍流信道仿真模型;解决了球不变随机过程法固有的特征随机变量各态历经问题;计算了二维相关K分布信道模型的误时隙率和信道容量,并与一维K分布信道模型做比较。结果表明这种模拟湍流信道的方法可以很好地控制K分布湍流分量的分布形式和统计特性,为信道估计的研究奠定了基础。